PROPIEDADES MECANICAS DE MORTEROS DE SULFATO CALCICO ADITIVADOS Y ADICIONADO CON FIBRAS DE CARBONO

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1 PROPIEDADES MECANICAS DE MORTEROS DE SULFATO CALCICO ADITIVADOS Y ADICIONADO CON FIBRAS DE CARBONO Flores Yepes, J.A. 1, Pastor Pérez, J.J. 1, Gimeno Blanes, F.J. 1, Berná Serna, J.M. 1, Moneo Peco, L. 1 Martínez Gabarrón, A. 1, Montesinos Martínez, M. 1 1 Universidad Miguel Hernández de Elche. Escuela Politécnica Superior de Orihuela. Ctra de Beniel Km 3,2- Desamparados-ORIHUELA (AL) CP: 03312; e mail: jjpastor@umh.es Resumen Los morteros a base de sulfato cálcico están teniendo un nuevo auge en la actualidad debido a sus destacadas propiedades tanto de resistencia al fuego como térmicas, y acústicas. Desarrollos para absorciones de ondas de presión entre otros, permiten obtener materiales que consideremos de nueva generación. Estos desarrollos van ligados al uso de nuevos aditivos que permiten manejar tanto los tiempos de fraguado como el contenido en agua de la mezcla, y además, la posibilidad de incluir al mortero distintos agregados que mejoren aun más sus propiedades de resistencia. El objetivo fundamental del presente trabajo es el de obtener resultados significativos comparando algunas propiedades mecánicas de morteros formados con yeso moreno aditivado mediante la adicción de distintos porcentajes y longitudes de fibras de polipropileno. Fibras por otra parte impuestas en el mercado de la construcción como elemento de bajo coste y de rendimientos mecánicos adecuados. Estudiaremos la trabajabilidad de la mezcla, así como la necesidad de aporte de mayor o menor cantidad de agua. Además se evalúan las propiedades de: dureza superficial, resistencia a flexión, modulo de elasticidad, densidad del conjunto. La necesidad de utilizar aditivos, tiene por objeto el de aumentar los tiempos de fraguado reduciendo la cantidad de agua del soporte, así, de este modo el material base tendrá unas propiedades mecánicas intrínsecas mayores, y la aportación de dichas fibras mejorarán aun más las propiedades, no solo mecánicas, si no de capacidad de deformación, con respecto al mortero convencional. Palabras clave: mortero, yeso, sulfato cálcico, fibra de carbono Abstract Mortars based on calcium sulphate are nowadays enjoying a new boom due to its outstanding properties such as its fire resistance and its thermal and acoustic properties. Mortars developed to absorb pressure waves, among others, allow the production of materials considered of new generation. These developments are linked to the use of new additives, which facilitate the management of both the setting time and the water amount in the mixture. Furthermore, they allow the addition to the mortar of different aggregates that improve its resistance properties even more. The fundamental objective of this study is to obtain significant results by means of comparing some mechanical properties of the mortars made of browning plaster with the addition of different percentages and lengths of polypropylene fibres. Fibres imposed by the building market as a low-cost elements and appropriate mechanical performance. We will study the workability of the mixture as well as the need of more or less water. In addition, we assess the following properties: superficial hardness, bending resistance, elasticity modulus and density. Additives are added in order to increase the setting times reducing the amount of water of the mixture. This way, the base material shall have some major intrinsic and mechanical properties and the inclusion of such fibres shall further improve not only the mechanical properties but also the deformability capacity compared to traditional mortars. Keywords: mortar, plaster, calcic sulfate, carbon fibers Introducción y Justificación El empleo de mortero a base de sulfato cálcico tiene su aplicación en el campo de la seguridad pasiva en combinación con paredes de obra civil basadas en ladrillo cerámico o bloque conjunto en el revestimiento de 1 o 2 cm (Novo de Miguel, Luciano. 1970). El desarrollo de aditivos especiales incorporados a la base, se extendió a nuevas aplicaciones, por ejemplo, en el desarrollo de cartón yeso como elemento divisorio y/o de aplicación junto con la lana de roca en la sectorización de establecimientos. Ref. Nº C /6

2 El uso de perlita, vermiculita, fibras, etc. (Foster, 1964; BS, 1973), permitió el desarrollo de nuevas aplicaciones, fundamentalmente para la protección pasiva como elemento de protección de estructuras, distintas empresas, ofrecen desarrollos y soluciones técnicas basadas en el empleo de sulfato cálcico como base en sus desarrollos. Actualmente, en el Departamento de Ingeniería de la Universidad Miguel Hernández, se estudian distintas aplicaciones relacionadas con desarrollos de morteros en base al sulfato cálcico. Las más importantes van el la línea de protección de estructuras ante el fuego, así como en absorción de ondas de presión (resistencia a explosiones). La base de desarrollo de morteros de sulfato cálcico aditivados (Arredondo, 1961), se fundamenta en la incorporación a la matriz de la menor cantidad de agua, de modo que se consigan morteros lo más duros y resistentes posibles. Esto se consigue aplicando aditivos especiales. También en este sentido se persigue mejorar la trabajabilidad (García Figuereo; July Altagracia, 2011). de modo que el mortero sea fácil en su aplicación para: proyectar, verter, etc. También en igual sentido los aditivos forman parte de la solución. El empleo de aditivos especiales en base orgánica, en la línea de los ácidos policarboxílicos como base, permite estas dos consignas indicadas (García Santos, 2004). Estamos por lo tanto en un antes y un después en el uso de yeso como material a aplicar en multitud de aplicaciones tal y como se ha expuesto. El objetivo de este estudio, es el de conferir al mortero, de una resistencia adicional mecánica y de ductilidad. Es evidente pues, que la aportación de fibras de cualquier tipo que adhieran bien a la matriz, conferirá un aumento de dicha propiedad mecánica; pero la cantidad y el tamaño de dichas fibras serán objeto de estudio para determinar cual es el % y longitud ideal para que el comportamiento sea optimo. Material y Métodos Se ha utilizado yeso moreno (yeso de construcción B1/8/2) y agua de la red para el amasado, a la que se ha añadido un retardante de fraguado líquido de tipo orgánico (llamado ADIFOC) para permitir una mayor manejabilidad del yeso (relación A/Y = 0,5) con el objeto de no perjudicar su capacidad resistente. Se fija la cantidad de aditivo en el 3 del peso de agua o 1,5 si referimos al peso de yeso; esto confiere tiempo suficiente para mezclar la fibra y verter el mortero en los moldes normalizados, y como ya se ha indicado como elmento de refuerzo, fibra de carbono para la unión de la matriz (Muñoz, 2011). La fibra de carbono constituye el objetivo principal de este trabajo, suministrada en forma de bobina; siendo la tabla 1, la define la referencia del ensayo, así como porcentaje y longitud de dicha fibra. LONGITUD FIBRA PORCENTAJE PESO IDENTIFICACION ENSAYO 12 mm 25 mm 32 mm 0,25% 6,25 gr C1 0,50% 12,50 gr C2 0,75% gr C3 1,50% 37,50 gr C4 0,25% 6,25 gr C5 0,50% 12,50 gr C6 0,75% gr C7 1,50% 37,50 gr C8 0,25% 6,25 gr C9 0,50% 12,50 gr C10 Ref. Nº C /6

3 0,75% gr C11 1,50% 37,50 gr C12 0,25% 6,25 gr C13 0,50% 12,50 gr C14 50 mm 0,75% gr C15 1,50% 37,50 gr C16 Tabla 1. Tamaños, proporciones, cantidad de la fibra por cada 2.5 kg de yeso y nomenclatura empleada. Se ha escogido como muestra de referencia los resultados de la Suficiencia de Investigación del Ingeniero D. Luis Moneo (Moneo, 2011). Los datos son del yeso aditivado a un 1,5 de ADIFOC para poder compararlos con los obtenidos en este ensayo y de esta manera analizar como influye en los resultados la aportación de dicha la fibra de carbono, así como de su longitud. Muestra Dureza Flexión M. Densidad Compresión Shore N/mm 2 Elasticidad kg/m 3 N/mm 2 1,5 86,56 5,14 657, ,903 12,18 Tabla 2. Datos de yeso aditivado a un 1,5 de peso de yeso Se han ensayado para cada lote, un número de 8 probetas de 160x40x40mm por ensayo; obteniendo datos de peso, resistencia a flexión y módulo de elasticidad, a partir de la máquina universal de ensayos. El método adaoptado, es el definido por la Norma UNE-EN Para conocer los valores de resistencia a la penetración en superficie, o dureza, se ha empleado el método Shore, con un aparato de la escala C, según recomienda también dicha norma UNE-EN Siguiendo el protocolo normalizado, se realizan las amasadas de yeso, y el posterior llenado de los moldes, donde previamente se han colocado las cañas para cada uno de los diseños que se pretenden ensayar (4 probetas por diseño y dos repeticiones). Una vez fraguadas se desmoldan, secan y guardan conforme a la norma, hasta su ensayo. Los resultados han sido tratados estadísticamente por diversos métodos: para calcular el tamaño se ha empleado la fórmula simplificada de Cochran et al. (1991). Se han calculado parámetros muestrales descriptivos para cada serie (media, desviación típica y coeficiente de variación). La detección de los valores atípicos se ha realizado mediante diagramas de caja. El ajuste a normalidad de cada serie, con métodos gráficos (curva normal sobre diagrama de frecuencia y funciones transformadas Q-Q normales) y mediante prueba K-S con significación del 95%. Para garantizar la relación entre factores y variables dependientes, se ha empleado el ANOVA al 95% de significación para varianzas iguales entre series, y la prueba robusta de Welch, cuando aquellas son diferentes, con igual significación. Las comparaciones de series dos a dos se ha realizado mediante el test de comparaciones múltiples de Tukey, y el estudio de comportamientos semejantes, mediante el análisis de Tukey-Duncan. Resultados y Discusión A continuación se muestran las tablas comparativas en relación a la longitud del corte y al tanto por ciento utilizado en los distintos ensayos. Esta comparación, permitirá obtener que porcentaje y longitud de fibra obtiene un valor óptimo en el resultado del mortero. Ref. Nº C /6

4 Foto 1. Lote de probetas. Se pretende logar: por un lado la disminución del peso de este tipo de morteros (que irá evidentemente relacionado con los gramos de aportación de fibra a la masa), así como el aumento de la resistencia mecánica, fundamentalmente a flexión. En las graficas siguientes, se comparan los resultados obtenidos con la referencia de yeso aditivado sin aportación de fibras. DUREZA SHORE ,9 91,71 90,81 91,21 89,71 89,29 88,98 88,42 88,88 88,5 87,67 87,88 87,77 85,96 84,81 84,63 Gráfico 1. Resultados comparativos de la dureza Shore C. Se observan en el grafico 1, como hay valores por debajo de la referencia. Dichos valores atípicos, corresponden a amasadas con problemas de dispersión, bien por la cantidad o por una longitud excesiva. La mayor dureza, se obtiene en el ensayo C5 con tamaño de fibra de 25 mm y proporción de la misma de 0,25%, la serie C5, C6, C7, destaca del resto. FLEXION ,12 8,17 8,38 8,64 8,12 7,37 7,6 7,05 7,18 6,33 6,38 6,11 6,22 5,71 5,79 4,66 Gráfico 2. Resultados comparativos de flexión. El ensayo de rotura de probatas a flexión, observamos que las C4, C8, C12, C14, C16 destacan del resto y corresponde a la mayor aportación de fibras. A excepción del ensayo C9 (de longitud de fibra 32mm y porcentaje de 0.25%) todos están por encima del yeso aditivado sin fibras Ref. Nº C /6

5 MODULO DE ELASTICIDAD ,53 683,01 692,43 655,95 517,51 546,46 528,02 531,24 458,92 490,15 471,05 467,23 420,48 429,96 395,35 365,64 Gráfico 3. Resultados comparativos del módulo de elasticidad. Se consigue mejorar el módulo de elasticidad levemente en los ensayos C3, C4, C7 y C8, sin embargo el yeso aditivado sin fibras está por encima de la mayoría de ensayos, no siendo significativo este valor en comparación con la referencia. DENSIDAD , , , , , , , , , , , , , , , , Gráfico 4. Resultados comparativos de densidad. La reducción de la densidad es redundante. Cuanta mayor cantidad de fibra, menor peso. Si se observan como contrariedad resultados dispersos que sirven para fijar criterios de trabajo y que se deben a restos de fibras perdidos en el ensayo; siendo mayoritariamente provocados por las longitudes de corte excesivas. El resultado que mejor comportamiento a flexión ha dado, es 9,12 N/mm2, con 32 mm y 1.50% de aportación, ensayo C12. Valor que destaca del resto. Se indican para esta longitud (Grafico 5) la evolución así como la regresión de los resultados del ensayo: Dureza Shore Lineal (Dureza Shore) Flexión N/mm2 Lineal (Flexión N/mm2) C9; 88,42 C10; 87, C12; 9, y = -1,275x + 89,955 R 2 = 0,9616 C11; 85,96 86,56 C12; 84, C9; 4,66 C10; 5,71 C11; 6,22 5,14 y = 1,389x + 2,955 R 2 = 0, C9 C10 C11 C12 0 C9 C10 C11 C12 Gráfico 5. Resultados para longitud de 32mm, de dureza y resistencia a flexión. Ref. Nº C /6

6 Conclusiones La longitud de 50 mm es muy difícil de manejar, estando fuera de la trabajabilidad del mortero. No se debe usar este tamaño para conseguir resultados de resistencia homogéneos salvo que se modifiquen las condiciones de mezcla y amasado. La longitud de 32 mm, es el que mejor resultado ha ofrecido en el análisis de resistencia. El tamaño de corte de 25 mm, ofrece resultados ligeramente menores que el de 32 mm, pero aporta una mejor trabajabilidad, entendiendo como conclusión que es la que debiera emplearse industrialmente al mortero para aumentar su resistencia mecánica. La aportación de fibras de carbono, hace aumentar la resistencia mecánica a flexión en comparación con el yeso aditivado, de 5 N/mm 2 a valores de hasta 9.12 N/mm 2. El yeso sin aditivar, está en valores de 2-3 N/mm 2. Bibliografía AENOR. (2012). Recopilación de normas. UNE ; , UNE Arredondo, F. (1961). Materiales de construcción: II.- el yeso. Instituto Eduardo Torroja. Madrid BS 1191: part. 2. (1973). Gypsum building plasters. Premixed ligtweiht plasters. Foster, N. (1964). Yesos aligerados. Conferencia en el IV Congreso de Eurogypsum. Madrid Actas del Congreso. García Figuereo, July Altagracia (2011). Incorporación de la cáscara de mejillón en el yeso y el mortero. Trabajo fin de Máster. García Santos (2004). Informes de la Construcción, Vol 56, No 493 (2004). Caracterización de compuestos de escayola reforzados, en relación con el tipo de refuerzo y la relación A/Y. Moneo, L. (2011). Análisis y evaluación de aditivos para aplicación al sulfato cálcico. Suficiencia Investigadora. Novo de Miguel, Luciano. (1970). El yeso en la construcción. España, Ediciones CEAC, S.A. Ref. Nº C /6